(57)【要約】【課題】  投影光学系の偶関数収差を短時間に求める。【解決手段】  所定の計測用パターンの像を投影光学系ＰＬを介して投影する際に、可変開口絞りＡＳを用いて０次光Ｌ（０）、１次回折光Ｌ（＋１），Ｌ（−１）以外の回折光を遮光する。投影像をスリット１２２を介して受光して、先ず横方向で光量のピーク位置を求めた後、そのピーク位置にスリット１２２を位置決めしてから、スリット１２２をＺ方向に走査して光量の変化を計測する。Ｚ方向で光量がピークとなる位置から投影光学系ＰＬの所定の偶関数収差を求める。【選択図】  図３
2006245145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法において、
複数の互いに異なるピッチのマークのそれぞれからの３つの次数の回折光以外の回折光を遮光するために、前記被検光学系の開口数を制御する第１工程と、
前記３つの次数の回折光が前記被検光学系を通過して形成される像の光強度分布を計測する第２工程と、
前記第２工程で計測される光強度分布に基づいて前記被検光学系の光学特性を求める第３工程とを備えたことを特徴とする光学特性計測方法。
【請求項２】
前記３つの次数の回折光は、０次回折光及び±１次回折光であることを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
【請求項３】
前記第２工程は、
前記複数のマークのそれぞれの前記被検光学系による像の光強度分布の前記被検光学系の光軸に垂直な方向の特定位置を検出する工程と、
前記特定位置で、前記光軸に平行な方向における前記被検光学系による像の光強度の変化を検出する工程とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学特性計測方法。
【請求項４】
前記第３工程で求められる前記被検光学系の光学特性は、前記被検光学系の第１の収差であり、
前記第２工程は、前記被検光学系の前記第１の収差とは異なる第２の収差を変化させながら、前記複数のマークの前記被検光学系による像の光強度分布を計測する工程を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学特性計測方法。
【請求項５】
前記被検光学系の前記第２の収差の変化は、前記被検光学系中の所定の光学部材の変位又は前記像の計測位置のデフォーカスによって与えられることを特徴とする請求項４に記載の光学特性計測方法。
【請求項６】
前記複数の互いに異なるピッチのマークは、異なる２方向に沿って配列されたそれぞれ６種類以上のピッチのマークに含まれることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学特性計測方法。
【請求項７】
前記複数の互いに異なるピッチのマークは、異なる６方向に沿って配列されたそれぞれ６種類以上のピッチのマークに含まれることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学特性計測方法。
【請求項８】
露光ビームで第１物体及び投影光学系を介して第２物体を露光する露光方法において、
請求項１から７のいずれか１項に記載の光学特性計測方法で前記投影光学系の光学特性を計測する計測工程と、
前記計測工程の計測結果に基づいて、前記投影光学系の光学特性を補正する補正工程とを有することを特徴とする露光方法。
【請求項９】
被検光学系の光学特性を計測する光学特性計測装置において、
複数の互いに異なるピッチのマークが形成された基板と、
前記基板を照明する照明系と、
前記複数の互いに異なるピッチのマークのそれぞれからの３つの次数の回折光以外の回折光を遮光するために、前記被検光学系の開口数を逐次制御する可変開口絞りと、
前記複数の互いに異なるピッチのマークの前記３つの次数の回折光を用いて前記被検光学系によって形成される像のそれぞれを検出する空間像検出系と、
前記空間像検出系の検出結果に基づいて前記被検光学系の光学特性を求める演算装置とを備えたことを特徴とする光学特性計測装置。
【請求項１０】
前記空間像検出系は、前記被検光学系による像を検出するスリット状開口パターンを有し、
前記スリット状開口パターンを前記被検光学系の光軸に平行な方向に移動するステージをさらに備え、
前記演算装置は、前記スリット状開口パターンを前記被検光学系の光軸に平行な方向に移動したときに得られる前記空間像検出系の検出結果に基づいて前記被検光学系の光学特性を求めることを特徴とする請求項９に記載の光学特性計測装置。
【請求項１１】
露光ビームで第１物体を照明し、前記露光ビームで前記第１物体及び投影光学系を介して第２物体を露光する露光装置において、
請求項９又は１０に記載の光学特性計測装置と、
前記第１物体とともに又は前記第１物体の代わりに前記複数の互いに異なるピッチのマークが形成された基板を保持する第１ステージと、
前記第２物体とともに前記空間像検出系の受光部を保持する第２ステージとを備え、
前記光学特性計測装置を用いて前記投影光学系の光学特性を計測することを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検光学系の光学特性を計測するための光学特性計測技術、及びこの光学特性計測技術を用いる露光技術に関し、例えば半導体素子及び液晶表示素子等のデバイスを製造するためのリソグラフィ工程中で、マスクのパターンを基板上に転写するために使用される投影露光装置の投影光学系の光学特性を計測する際に使用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体素子等を製造するためのリソグラフィ工程中で、マスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）のパターンを、投影光学系を介して基板としての感光材料が塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に転写する一括露光型の投影露光装置（ステッパー等）、及び走査露光型の投影露光装置（スキャニングステッパー等）が使用されている。半導体素子等の集積度及び微細度が益々向上するのに応じて、投影露光装置の投影光学系に要求される諸収差等の結像特性の精度も高くなってきている。
【０００３】
また、露光を継続することによって投影光学系に蓄積される露光光の熱エネルギー、並びに投影光学系の周囲の気圧及び温度等の環境条件の変化によって、投影光学系の結像特性は次第に変動する。そこで、投影露光装置には、投影光学系を構成する一部のレンズエレメントの姿勢を制御したり、又は所定のレンズエレメント間の空間（レンズ室）内の気圧を制御したりすることによって、歪曲収差や球面収差等の所定の結像特性を所定の状態に制御できる結像特性制御機構が備えられている。この結像特性制御機構を用いて投影光学系の結像特性を制御するためには、投影光学系が投影露光装置に搭載された状態（オンボディ）で、その結像特性を高精度に計測する必要がある。更に、例えば、投影露光装置の組立調整時又はメンテナンス時等にも、オンボディで投影光学系の結像特性を高精度に計測する必要がある。
【０００４】
従来の結像特性の計測方法としては、所定のパターンが形成されたテストレチクルを用いて、ウエハをパターンの投影像で露光し、そのウエハを現像することによって得られるレジスト像を計測した結果に基づいて結像特性を算出する方法（以下、「焼き付け法」と呼ぶ）が、主に用いられていた。しかしながら、この焼き付け法は計測に長い時間を要する。
【０００５】
そこで、実際にウエハを露光することなく、露光光に照明されたテストレチクルの計測マークの空間像を投影光学系を介して投影し、その空間像（投影像）を計測し、この計測結果に基づいてその投影光学系の結像特性を算出する方法（以下、「空間像計測法」と呼ぶ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、この空間像計測法の別の例として、複数の回折格子を照明し、投影光学系を介して得られる各回折格子の像強度を、投影光学系の複数のフォーカス位置にて計測し、その結果に基づいてその投影光学系の波面収差を求める方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１０−１７０３９９号公報
【特許文献２】特開２００１−５７３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の如く、空間像計測法を用いてオンボディで投影光学系の収差を計測する場合、従来は例えば１つ又は複数のフォーカス位置でそれぞれスリットを投影光学系の光軸に垂直な方向に走査して、計測用マークの空間像の光強度分布を計測し、この計測結果をフーリエ解析する必要があった。そのため、計測に時間がかかるという問題があった。
一般に、投影光学系の射出瞳（又は瞳面）上の波面収差を示す収差関数をＷ（ρ，θ）とすると、収差関数Ｗ（ρ，θ）は極座標形式で表されており、ρは投影光学系の射出瞳（又は瞳面）の半径方向の規格化された位置（動径）であり、θは角度である。その収差関数Ｗ（ρ，θ）は、その動径ρと角度θとが分離した形で表される完全直交系の多項式、例えば次式で示されるツェルニケ多項式(Zernike's Polynomial)を用いて級数展開することが可能である。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
ここで、Ｚi は、投影光学系の諸収差のうちで、ｉ次のツェルニケ多項式ｆｉ（ρ，θ）によって表される収差の大きさを表す係数である。なお、以下では説明の便宜上、係数Ｚi(ｉは１以上の整数）をｉ次のツェルニケ多項式によって表される収差（又は収差量）ともみなす。このとき、動径関数が奇関数となるツェルニケ多項式で表される収差を奇関数収差と呼び、動径関数が偶関数となるツェルニケ多項式で表される収差を偶関数収差と呼ぶ。
【０００９】
一般的に、物体面上のパターンの空間像を像面上に投影する投影光学系において、その投影光学系に奇関数収差が存在する場合には、そのパターンからの各次数の回折光の結像位置はそれぞれ横シフトする。また、その投影光学系に偶関数収差が存在する場合、その各次数の回折光の結像位置は、投影光学系の光軸方向にそれぞれずれる。言い換えると、例えば計測用パターンの像を投影光学系を介して結像すると、その投影光学系の奇関数収差（横収差）によってその像が横方向にシフトして、その投影光学系の偶関数収差（縦収差）によってその像のコントラストが低下する。
【００１０】
このように偶関数収差はコントラストの低下であるため、偶関数収差を従来の空間像計測法を用いて計測する場合には、例えば多くのフォーカス位置でスリットを投影光学系の光軸に垂直な方向に走査する動作を繰り返す必要があり、特に計測時間が長くなるという問題があった。
本発明は、斯かる点に鑑み、被検光学系の収差等の光学特性を空間像計測法で短時間に計測できる光学特性計測技術を提供することを第１の目的とする。
【００１１】
また、本発明は、被検光学系の偶関数収差を空間像計測法で短時間に計測できる光学特性計測技術を提供することを第２の目的とする。
また、本発明は、投影光学系が投影露光装置（露光装置）に搭載された状態で、その投影光学系の光学特性を空間像計測法で短時間に計測できる露光技術を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による収差計測方法は、被検光学系（ＰＬ）の光学特性を計測する光学特性計測方法において、複数の互いに異なるピッチのマーク（２Ａ〜２Ｅ）のそれぞれからの３つの次数の回折光以外の回折光を遮光するために、その被検光学系の開口数を制御する第１工程と、その３つの次数の回折光がその被検光学系を通過して形成される像の光強度分布を計測する第２工程と、その第２工程で計測される光強度分布に基づいてその被検光学系の光学特性を求める第３工程とを備えたものである。
【００１３】
本発明によれば、計測対象のマークからの３つの次数の回折光（３光束干渉）による像を計測することによって、その像の光強度分布がその次数の回折光による像の光強度分布になる。従って、空間像計測法を用いて、複雑なフーリエ解析を行うことなく短時間にその被検光学系の光学特性を計測できる。
本発明において、一例としてその３つの次数の回折光は、０次回折光及び±１次回折光である。これによって、得られる像の光強度分布は基本波成分となるため、計測時間を最も短縮できる。
【００１４】
また、その第２工程は、その複数のマークのそれぞれのその被検光学系による像の光強度分布のその被検光学系の光軸に垂直な方向の特定位置を検出する工程と、その特定位置で、その光軸に平行な方向におけるその被検光学系による像の光強度の変化を検出する工程とを有することができる。
本発明では、３光束干渉を用いているため、空間像の光強度分布が実質的にそのまま所定次数の周波数成分となる。従って、一度その被検光学系の光軸に垂直な方向で特定位置（例えば光強度分布のピーク位置）を検出すると、後は受光面をその光軸に平行に移動するだけで、その光軸に平行な方向におけるその特定位置での光強度の変化を計測できる。また、その光軸に平行な方向で光強度が変化する光学特性は、特に偶関数収差である。従って、特に偶関数収差の計測時間を大幅に短縮できる。
【００１５】
また、一例としてその第３工程で求められるその被検光学系の光学特性は、その被検光学系の第１の収差であり、その第２工程は、その被検光学系のその第１の収差とは異なる第２の収差を変化させながら、その複数のマークのその被検光学系による像の光強度分布を計測する工程を含む。これによって所定の偶関数収差を容易に計測できる。
また、一例として、その被検光学系のその第２の収差の変化は、その被検光学系中の所定の光学部材（１３1，１３2）の変位又はその像の計測位置のデフォーカスによって与えられる。
【００１６】
また、一例として、その複数の互いに異なるピッチのマークは、異なる２方向に沿って配列されたそれぞれ６種類以上のピッチのマークに含まれる。これによって、計測対象の光学特性を波面収差で表すとともに、波面収差をツェルニケ多項式で表した場合に、１６次までのツェルニケ多項式で表される波面収差のうちの０θ、１θ、ｃｏｓ２θ成分が計測可能である。
【００１７】
また、別の例として、その複数の互いに異なるピッチのマークは、異なる６方向に沿って配列されたそれぞれ６種類以上のピッチのマークに含まれる。これによって、３７次までのツェルニケ多項式で表される波面収差が計測可能である。
また、本発明による露光方法は、露光ビームで第１物体（Ｒ）及び投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光方法において、本発明の光学特性計測方法でその投影光学系の光学特性を計測する計測工程と、その計測工程の計測結果に基づいて、その投影光学系の光学特性を補正する補正工程とを有するものである。本発明によってその投影光学系の光学特性を短時間に補正できる。その結果、光学特性が適切な状態に調整された投影光学系を用いて、第１物体のパターンを高精度に第２物体上に転写することが可能となる。
【００１８】
次に、本発明による光学特性計測装置は、被検光学系（ＰＬ）の光学特性を計測する光学特性計測装置において、複数の互いに異なるピッチのマーク（２Ａ〜２Ｅ）が形成された基板（ＲＦＭ）と、その基板を照明する照明系（１４，１２）と、その複数の互いに異なるピッチのマークのそれぞれからの３つの次数の回折光以外の回折光を遮光するために、その被検光学系の開口数を逐次制御する可変開口絞り（ＡＳ）と、その複数の互いに異なるピッチのマークのその３つの次数の回折光を用いてその被検光学系によって形成される像のそれぞれを検出する空間像検出系（５９）と、その空間像検出系の検出結果に基づいてその被検光学系の光学特性を求める演算装置（５０）とを備えたものである。本発明によって、空間像計測法でその被検光学系の光学特性を短時間に計測できる。
【００１９】
本発明において、一例としてその空間像検出系は、その被検光学系による像を検出するスリット状開口パターン（９Ａ〜９Ｆ）を有し、そのスリット状開口パターンをその被検光学系の光軸に平行な方向に移動するステージ（ＷＳＴ）をさらに備え、その演算装置は、そのスリット状開口パターンをその被検光学系の光軸に平行な方向に移動したときに得られるその空間像検出系の検出結果に基づいてその被検光学系の光学特性を求める。これによって、特にその被検光学系の偶関数収差を短時間に計測できる。
【００２０】
また、本発明による露光装置は、露光ビームで第１物体（Ｒ）を照明し、その露光ビームでその第１物体及び投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光装置において、本発明の光学特性計測装置と、その第１物体とともに又はその第１物体の代わりにその複数の互いに異なるピッチのマークが形成された基板を保持する第１ステージ（ＲＳＴ）と、その第２物体とともにその空間像検出系の受光部を保持する第２ステージ（ＷＳＴ）とを備え、その光学特性計測装置を用いてその投影光学系の光学特性を計測するものである。これによって、投影光学系の光学特性を空間像計測法を用いてオンボディで短時間に計測できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、３光束干渉を用いることによって、空間像計測法で投影光学系の光学特性を短時間に計測することができる。
また、本発明において、特定位置で被検光学系の光軸に平行な方向におけるその被検光学系による像の光強度の変化を検出する工程を有する場合には、特に偶関数収差を短時間に計測することができる。
【００２２】
また、本発明の露光方法及び装置によれば、投影光学系が露光装置に搭載された状態で、その投影光学系の光学特性を短時間に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態の一例につき図面を参照して説明する。
図１は、本例の投影露光装置１０の概略構成を示す。本発明の露光装置に対応する投影露光装置１０は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査露光型の投影露光装置、即ちスキャニングステッパーである。
図１において、投影露光装置１０は、レーザビームＬＢを発生する光源１４（露光光源）、照明光学系１２（照明ユニット）、マスクとしてのレチクルＲを保持して移動するレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、基板（又は感光体）としてのウエハＷを保持して移動するウエハステージＷＳＴ、及びこれらを制御する制御系等を備えている。そして、光源１４及び制御系以外の部分は、実際には、内部の温度等の環境条件が高精度に制御され一定に維持されている不図示の環境チャンバ内に収容されている。
【００２４】
本例では、光源１４として、ＡｒＦエキシマレーザ光源（発振波長１９３ｎｍ）が用いられている。光源１４は、装置全体の動作を統轄制御するコンピュータよりなる主制御装置５０によってそのレーザ発光のオン・オフや、中心波長、スペクトル半値幅、繰り返し周波数などが制御される。なお、露光光源として、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、Ｆ2 レーザ（波長１５７ｎｍ）、ＹＡＧレーザの高調波発生装置、固体レーザ（半導体レーザ等）の高調波発生装置、又は水銀ランプ（ｉ線等）等も使用できる。
【００２５】
照明光学系１２は、光源１４から供給されるレーザビームＬＢの断面形状を整形するビーム整形光学系１８、オプティカル・インテグレータ（ユニフォマイザ又はホモジナイザ）としてのフライアイレンズ２２、照明系開口絞り板２４、第１リレーレンズ２８Ａ及び第２リレーレンズ２８Ｂから成るリレー光学系、固定レチクルブラインド３０Ａ、可動レチクルブラインド３０Ｂ、ミラーＭ、並びにコンデンサレンズ３２等を備えている。なお、オプティカル・インテグレータとして、内面反射型インテグレータ（例えばロッドインテグレータ）又は回折光学素子等を用いてもよい。フライアイレンズ２２を構成する多数の微小レンズは、それぞれビーム整形光学系１８からのレーザビームＬＢを射出側の焦点面に集光し、その焦点面に２次光源（面光源）が形成される。以下では、フライアイレンズ２２によって形成される２次光源から射出されるレーザビームＬＢを、露光ビーム（露光光）としての「照明光ＩＬ」と呼ぶ。
【００２６】
光源１４及び照明光学系１２は、後述の空間像計測時の照明系としても使用される。照
明光学系１２において、フライアイレンズ２２の射出側焦点面の近傍には、円板状部材から成る照明系開口絞り板２４が配置されている。この照明系開口絞り板２４には、ほぼ等角度間隔で、例えば通常の円形開口より成る開口絞り（通常絞り）、小さな円形開口より成りコヒーレンスファクタであるσ値を小さくするための開口絞り（小σ絞り）、輪帯照明用の輪帯状の開口絞り（輪帯絞り）、及び変形光源法用に複数の開口を偏心させて配置して成る変形開口絞り（例えば２極照明又は４極照明用の開口絞り）等が配置されている。この照明系開口絞り板２４は、主制御装置５０により制御されるモータ等の駆動装置４０により回転されるようになっており、この回転動作により、いずれかの開口絞りが照明光ＩＬの光路上に選択的に設定される。
【００２７】
照明系開口絞り板２４から出た照明光ＩＬの光路上に、反射率が小さく透過率の大きなビームスプリッタ２６が配置され、更にこの後方の光路上に、レチクルブラインド３０Ａ、３０Ｂを介在させてリレー光学系（２８Ａ，２８Ｂ）が配置されている。
固定レチクルブラインド３０Ａは、レチクルＲのパターン面に対する共役面から僅かにデフォーカスした面に配置されており、その固定レチクルブラインド３０Ａには、レチクルＲ上での照明領域ＩＡＲを規定する矩形開口が形成されている。また、この固定レチクルブラインド３０Ａの近傍には、走査露光時の走査方向、及びこれに直交する非走査方向に光学的にそれぞれ対応して位置及び幅が可変の開口部を有する可動レチクルブラインド３０Ｂが配置されている。走査露光の開始時及び終了時において、主制御装置５０からの指示により、固定レチクルブラインド３０Ａによって規定されている照明領域ＩＡＲが、可動レチクルブラインド３０Ｂによって更に制限されることによって、不要な部分（レチクルＲ上の回路パターン等の転写すべき部分以外の部分）の露光が防止されるようになっている。また、本例では、可動レチクルブラインド３０Ｂは、必要に応じて後述する空間像計測の際の照明領域の設定にも用いられる。
【００２８】
一方、照明光学系１２内のビームスプリッタ２６で反射された照明光ＩＬの光路上には、集光レンズ４４、受光素子から成るインテグレータセンサ４６が配置されている。
そして、露光時に光源１４から射出されたレーザビームＬＢは、照明光学系１２内で照明光ＩＬとなり、照明光ＩＬは、ミラーＭによって光路が垂直下方に折り曲げられた後、コンデンサレンズ３２を経て、レチクルＲのパターン面（下面）の非走査方向に細長いスリット状の照明領域ＩＡＲを均一な照度分布で照明する。
【００２９】
一方、ビームスプリッタ２６で反射された照明光ＩＬの一部は、集光レンズ４４を介してインテグレータセンサ４６で受光され、インテグレータセンサ４６の光電変換信号が、ピークホールド回路及びＡ／Ｄ変換器を有する信号処理装置８０を介して主制御装置５０に供給される。本例では、インテグレータセンサ４６の計測値は、ウエハＷに対する露光量制御に用いられる他、投影光学系ＰＬに対する照射量の計算に用いられる。この照射量は、ウエハ反射率（これは、インテグレータセンサ４６の出力と不図示の反射率モニタの出力とに基づいて求めることもできる）とともに、投影光学系ＰＬの照明光吸収による結像特性の変化量の算出にも用いられる。
【００３０】
本例では、主制御装置５０によって、その照明光ＩＬの照射量がインテグレータセンサ４６の出力に基づいて所定の時間間隔で計測され、その計測結果が照射履歴として、メモリ５１（記憶装置）内に記憶されるようになっている。
その照明光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域ＩＡＲ内のパターンの、両側（又はウエハ側に片側）テレセントリックの投影光学系ＰＬによって形成された像は、感光材料としてのフォトレジストが塗布されたウエハＷの一つのショット領域上の露光領域ＩＡに投影される。露光領域ＩＡは照明領域ＩＡＲと共役であり、投影光学系ＰＬは、レチクルＲ（第１物体）のパターン面（第１面）のパターンの像をウエハＷ（第２物体）の上面（第２面）に形成している。投影光学系ＰＬの投影倍率は、例えば１／４又は１／５等の縮小
倍率であるが、以下の説明では、投影光学系ＰＬの投影倍率は１／４であるとする。本例の投影光学系ＰＬは、屈折系であるが、投影光学系ＰＬとしては、反射屈折系なども使用できる。また、図３に示すように、投影光学系ＰＬの瞳面ＰＰの近傍には、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを制御するための可変開口絞りＡＳが配置されている。
【００３１】
以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行な方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に垂直な方向にＸ軸を、図１の紙面に平行な方向にＹ軸を取って説明する。本例では、走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向は、Ｙ軸に平行な方向（Ｙ方向）であり、レチクルＲ上の照明領域ＩＡＲ、及びウエハＷ上の露光領域ＩＡはそれぞれ非走査方向（Ｘ方向）に細長い領域である。
【００３２】
本例の投影光学系ＰＬには、その所定の結像特性を制御（補正）するための結像特性制御機構が備えられている。
図２は、図１中の投影光学系ＰＬの結像特性制御機構を示す一部を断面とした図であり、この図２において、説明の便宜上、投影光学系ＰＬを構成するように光軸ＡＸに沿って配置された多数のレンズエレメントのうちの８枚のレンズエレメント１３1、１３2、…、１３8 のみを図示している。この場合、レンズエレメント１３1、１３2、…、１３8 のうち、その一部、例えばレンズエレメント１３1、１３2は、それぞれ複数の駆動素子（例えばピエゾ素子など）２０によって光軸ＡＸ方向及びＸＹ平面に対する傾斜方向に微小駆動可能に構成されている。また、各レンズエレメントの間には、不図示のガス供給機構から圧力調整機構４１を介してクリーンな気体、例えば窒素が供給されるようになっている。
【００３３】
本例では、各駆動素子２０に与えられる駆動電圧（駆動素子の駆動量）が、図１の主制御装置５０からの指令に応じて結像特性補正コントローラ７８により制御される。このように、駆動素子２０、及び結像特性補正コントローラ７８を含んで結像特性制御機構が構成されている。これによって、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば、像面湾曲、ディストーション、倍率、コマ収差、非点収差、球面収差等が補正される。なお、その可動レンズエレメントの数は任意で良い。但し、この場合、可動レンズエレメントの数が、フォーカスを除く、投影光学系ＰＬの結像特性の補正可能な種類に対応するので、補正が必要な結像特性の種類に応じて可動レンズエレメントの数を定めれば良い。
【００３４】
図１に戻り、レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルＲが例えば真空吸着（又は静電吸着）により固定されている。レチクルステージＲＳＴは、リニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系５６Ｒにより、レチクルベースＲＢＳ上のＸＹ平面内で２次元的に（Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ軸回りの回転方向（回転角θｚ）に）微少駆動可能であるとともに、レチクルベースＲＢＳ上をＹ方向に指定された走査速度で移動可能となっている。
【００３５】
また、レチクルステージＲＳＴ上には、レーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）５４Ｒからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｒが固定されており、レチクルステージＲＳＴのＸＹ平面内の位置はレチクル干渉計５４Ｒによって、例えば０．１〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。即ち、実際には、移動鏡５２Ｒは、Ｙ方向の位置を２箇所で計測するための２つのＹ軸の移動鏡と、Ｘ軸の移動鏡とから構成され、レーザ干渉計５４Ｒもそれに対応して３軸のレーザ干渉計から構成されている。
【００３６】
レチクル干渉計５４ＲからのレチクルステージＲＳＴの位置情報は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に送られる。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示により、レチクルステージ駆動系５６Ｒを介してレチクルステージＲＳＴの移動を制御する。なお、レチクルステージＲＳＴの端面を鏡面加工して前述の移動鏡５２Ｒの反射面を形成しても良い。
【００３７】
また、レチクルステージＲＳＴの−Ｙ方向の端部近傍には、空間像計測用基準マーク（計測用パターン）が形成されたマーク形成部材としてのレチクルフィデューシャルマーク板（以下、「レチクルマーク板」と略述する）ＲＦＭが、レチクルＲと並ぶように配置されている。このレチクルマーク板ＲＦＭ（詳細後述）は、レチクルＲと同材質のガラス素材、例えば合成石英や蛍石、フッ化リチウムその他のフッ化物結晶などから構成されており、レチクルステージＲＳＴに固定されている。レチクルステージＲＳＴは、レチクルＲの全面とレチクルマーク板ＲＦＭの全面とが少なくとも投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを横切ることができる程度のＹ方向の移動ストロークを有している。また、レチクルステージＲＳＴには、レチクルＲ及びレチクルマーク板ＲＦＭの下方に、照明光ＩＬを通すための開口がそれぞれ形成されている。また、レチクルベースＲＢＳの投影光学系ＰＬのほぼ真上の部分（光軸ＡＸを中心とする部分）にも、照明光ＩＬの通路となる、少なくとも照明領域ＩＡＲより大きな長方形状の開口が形成されている。
【００３８】
また、レチクルＲの上方には、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲ上又はレチクルマーク板ＲＦＭ上のマークと、ウエハステージＷＳＴ上の後述する基準マーク板（不図示）上の基準マークとを同時に観察するための露光波長の光を用いたＴＴＲ（Through The Reticle）方式の一対のレチクルアライメント顕微鏡（以下、便宜上「ＲＡ検出系」と呼ぶ）（不図示）が設けられている。これらのＲＡ検出系の検出信号は、不図示のアライメント制御装置を介して、主制御装置５０に供給される。なお、そのＲＡ検出系と同等の構成は、例えば特開平７−１７６４６８号公報等に開示されている。
【００３９】
図１において、ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ４２と、このＸＹステージ４２上に搭載されたＺチルトステージ３８とを含んで構成されている。ＸＹステージ４２は、ウエハベース１６の上面の上方に不図示のエアベアリングによって例えば数μｍ程度のクリアランスを介して浮上支持されている。更に、ＸＹステージ４２は、ウエハステージ駆動系５６Ｗを構成する不図示のリニアモータ等によって走査方向であるＹ方向及びこれに直交するＸ方向に２次元駆動可能に構成されている。このＸＹステージ４２上にＺチルトステージ３８が搭載され、Ｚチルトステージ３８上にウエハホルダ２５が固定されている。このウエハホルダ２５によって、ウエハＷが真空吸着等により保持されている。
【００４０】
Ｚチルトステージ３８は、図２に示すように、３つのＺ位置駆動部２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ（但し、図２の紙面奥側のＺ位置駆動部２７Ｃは不図示）によってＸＹステージ４２上に３点で支持されている。これらのＺ位置駆動部２７Ａ〜２７Ｃは、Ｚチルトステージ３８下面のそれぞれの支持点を投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ方向）に独立して駆動する３つのアクチュエータ（例えばボイスコイルモータなど）２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ（但し、図２の紙面奥側のアクチュエータ２１Ｃは不図示）と、Ｚチルトステージ３８のＺ位置駆動部２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃによる各支持点のアクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、２１ＣによるＺ方向の駆動量（基準位置からの変位）を検出するエンコーダ２３Ａ〜２３Ｃ（但し、図２の紙面奥側のエンコーダ２３Ｃは不図示）とを含んで構成されている。
【００４１】
本例では、アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃによって、Ｚチルトステージ３８（ウエハＷ）の光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）の位置、Ｘ軸回りの回転角θｘ、及びＹ軸回りの回転角θｙを制御する。図１のステージ制御装置７０は、露光中にはウエハＷの上面が投影光学系ＰＬの像面に合焦されるように、Ｚチルトステージ３８のＺ軸方向の位置及びレベリング量（回転角θｘ、θｙ）を算出し、この算出結果を用いてアクチュエータ２１Ａ〜２１Ｃを駆動する。なお、図１では、ＸＹステージ４２を駆動するリニアモータ等、及び図２のＺ位置駆動部２７Ａ〜２７Ｃがまとめてウエハステージ駆動系５６Ｗとして示されている。
【００４２】
図１において、Ｚチルトステージ３８上には、レーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」
という）５４Ｗからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｗが固定されている。ウエハ干渉計５４Ｗによって、Ｚチルトステージ３８（ウエハステージＷＳＴ）のＸＹ平面内の位置が、例えば０．１〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出されるようになっている。実際には、Ｚチルトステージ３８上には、走査方向（Ｙ方向）に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向（Ｘ方向）に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、これに対応してウエハ干渉計もＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ複数軸設けられ、Ｚチルトステージ３８の５自由度方向の位置（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及び回転角θｘ、θｙ、θｚ）が計測可能となっている。ウエハステージＷＳＴの位置情報（又は速度情報）は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に供給される。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示に応じてウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内の位置を制御する。なお、Ｚチルトステージ３８の端面を鏡面加工して前述の移動鏡５２Ｗの反射面を形成するようにしてもよい。
【００４３】
また、本例の投影露光装置には、投影光学系ＰＬの結像特性（光学特性）の計測に用いられる空間像計測装置５９（空間像計測系）が備えられている。その空間像計測装置５９を構成する光学系の一部がＺチルトステージ３８の内部に配置されている。
図３は、空間像計測装置５９を示す一部を切り欠いた図であり、この図３において、空間像計測装置５９は、Ｚチルトステージ３８に設けられたステージ側構成部分、即ちパターン形成部材としてのスリット板９０、レンズ８４，８６から成るリレー光学系、光路折り曲げ用のミラー８８、送光レンズ８７と、ウエハステージＷＳＴ外部に設けられたステージ外構成部分、即ちミラー９６、受光レンズ８９、光電変換素子から成る光センサ９４（光電センサ）等とを備えている。
【００４４】
これを更に詳述すると、スリット板９０は、ウエハステージＷＳＴのＺチルトステージ３８の端部上面に設けられて上部に開口が形成された突設部５８に対し、その開口を覆う状態で上方から嵌め込まれている。このスリット板９０は、ＸＹ平面に平行な長方形の平板状のガラス基板８２の上面に遮光膜を兼ねる反射膜８３を形成して構成され、その反射膜８３の一部に所定幅２Ｄのスリット状の開口パターン（以下、「スリット」と呼ぶ）１２２が形成されている。なお、図３のスリット１２２は、スリット板９０に設けられた複数のスリット（図９参照）のうちの一つを代表的に示している。ガラス基板８２の素材としては、ここでは、ＡｒＦエキシマレーザ光の透過性の良い、合成石英又は蛍石などが用いられる。
【００４５】
また、図３の状態では、照明光ＩＬの照明領域に、レチクルマーク板ＲＦＭに形成された計測用マークＰＭ（計測用パターン）が位置しており、そのマークの像が投影光学系ＰＬによってスリット板９０上に投影されている。そして、その照明光ＩＬよりなる結像光束の一部がスリット１２２を通過している。スリット１２２下方のＺチルトステージ３８内部には、スリット１２２を介して鉛直下向きに入射した照明光ＩＬ（結像光束）の光路を水平に折り曲げるミラー８８を介在させてレンズ８４及び８６から成るリレー光学系（８４、８６）が配置されている。また、このリレー光学系（８４、８６）の光路後方のＺチルトステージ３８の＋Ｙ方向側の側壁には、リレー光学系（８４、８６）によってリレーされた照明光をウエハステージＷＳＴの外部のほぼ＋Ｙ方向に送光する送光レンズ８７が固定されている。
【００４６】
送光レンズ８７によってウエハステージＷＳＴの外部に送り出された照明光ＩＬの光路は、Ｘ方向に所定長さを有し傾斜角４５°で斜設されたミラー９６によって、鉛直上方に向けて９０°折り曲げられる。この折り曲げられた光路上に、送光レンズ８７に比べて大きい受光レンズ８９が配置され、この上方に光センサ９４が配置されている。これら受光レンズ８９及び光センサ９４は、所定の位置関係を保ってケース９２内に収納され、ミラー９６も不図示の支持部材を介してケース９２に固定されている。そして、ミラー９６で上方に反射された照明光ＩＬは、受光レンズ８９によって光センサ９４の受光面に集光される。ケース９２は、取付け部材９３を介してウエハベース１６の上面に植設された支柱９７の上端部近傍に固定されている。
【００４７】
光センサ９４としては、微弱な光を精度良く検出することが可能な光電変換素子（光電センサ）、例えばフォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭＴ、光電子増倍管）などが用いられる。光センサ９４からの光電変換信号ＰＳは、図１の信号処理装置８０を介して主制御装置５０に送られるようになっている。信号処理装置８０は、例えば増幅器、サンプルホールド回路、Ａ／Ｄコンバータなどを含んで構成することができる。また、スリット１２２で代表している実際の複数のスリットの配置及び形状については後述する。
【００４８】
上述のようにして構成された空間像計測装置５９によると、レチクルマーク板ＲＦＭ（又はレチクルＲ）に形成された計測用マークＰＭ（又はレチクルＲに形成されたマーク）の投影光学系ＰＬを介して得られる投影像（空間像）の計測の際に、投影光学系ＰＬを透過してきた照明光ＩＬ（結像光束）によってスリット板９０が照明される。そして、そのスリット板９０のスリット１２２を通過した照明光ＩＬが、レンズ８４、ミラー８８、レンズ８６、及び送光レンズ８７を介してウエハステージＷＳＴの外部に導き出される。そして、そのウエハステージＷＳＴの外部に導き出された光は、ミラー９６及び受光レンズ８９を介して光センサ９４によって受光され、光センサ９４からその受光量に応じた光電変換信号（光量信号）ＰＳが図１の信号処理装置８０を介して主制御装置５０に出力される。
【００４９】
本例では、計測マークの投影像（空間像）の計測がスリットスキャン方式によって実行されるので、その際には、送光レンズ８７が、受光レンズ８９及び光センサ９４に対してＸ方向及びＹ方向に移動することになる。そこで、空間像計測装置５９では、所定範囲内で移動する送光レンズ８７を介した光がすべて受光レンズ８９に入射するように、受光レンズ８９の直径は送光レンズ８７の直径よりも大きく設定されている。本例の空間像計測装置５９においては、Ｚチルトステージ３８に設けられたスリット板９０を含む移動部と、ケース９２に設けられた光センサ９４を含む固定部とは、機械的に分離されている。そして、空間像計測に際してのみ、その移動部とその固定部とは、ミラー９６を介して光学的に接続される。これによって、光センサ９４の発熱による計測精度の低下が抑制される。
【００５０】
なお、空間像計測装置５９において、送光レンズ８７と受光レンズ８９との間の光路を可撓な光ファイバケーブルで接続するようにしてもよい。また、例えば光センサ９４の発熱が少ない場合、又は冷却機構によってその発熱の影響を軽減できる場合等には、光センサ９４及び受光レンズ８９を、例えば投影光学系ＰＬの＋Ｙ方向の側面に固定することも可能である。更に、光センサ９４をウエハステージＷＳＴ（Ｚチルトステージ３８）の内部に設けることも可能である。なお、空間像計測装置５９を用いて行われる空間像計測及び収差計測方法などについては、後に詳述する。
【００５１】
図１に戻り、投影光学系ＰＬの側面には、ウエハＷ上のアライメントマーク又は所定の基準マークを検出するマーク検出系としてのオフアクシス方式のアライメント系ＡＬＧが設けられている。本例では、このアライメント系ＡＬＧとして、画像処理方式のアライメント系、いわゆるＦＩＡ（Field Image Alignment）系が用いられている。このアライメ
ント系ＡＬＧからの撮像信号が、不図示のアライメント制御装置に供給される。アライメント制御装置は、その撮像信号とそのときのウエハ干渉計５４Ｗの出力であるウエハステージＷＳＴの位置情報とに基づいて、ウエハ干渉計５４Ｗの計測値で規定されるステージ座標系におけるアライメン卜マーク又は基準マークの座標位置を算出し、算出結果を主制御装置５０に供給する。その座標位置に基づいて、主制御装置５０は、レチクルＲのパターンの投影像の中心とアライメント系ＡＬＧの検出中心との間隔（ベースライン）の算出、及びウエハＷ上の各ショット領域の配列座標の算出等を行う。
【００５２】
更に、本例の投影露光装置１０では、図１に示すように、照射系６０ａ及び受光系６０ｂから成る斜入射方式の多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）が設けられている。照射系６０ａは、ウエハＷの表面又はスリット板９０の表面である被検面に複数のスリット像を光軸ＡＸに対して斜めに投影し、受光系６０ｂは、被検面からの反射光を受光してそれらのスリット像を再結像する。そして、受光系６０ｂは、それらの再結像された複数のスリット像の横ずれ量に対応する検出信号をステージ制御装置７０に供給する。ステージ制御装置７０では、一例としてそれらの検出信号をデフォーカス量に換算し、複数のデフォーカス量から、その被検面の投影光学系ＰＬの像面に対するＺ方向へのデフォーカス量と、Ｘ軸及びＹ軸の回りの傾斜角とを求める。なお、この多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）と、同様の多点焦点位置検出系の詳細な構成は、例えば特開平６−２８３４０３号公報等に開示されているため、その構成についての詳細な説明を省略する。
【００５３】
通常の露光時には、ステージ制御装置７０は、多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）の検出結果を用いて、ウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの像面に合焦されるように、オートフォーカス方式及びオートレベリング方式でウエハステージ駆動系５６Ｗを介してＺチルトステージ３８のＺ方向の位置及び傾斜角を制御する。また、露光中又は空間像計測中に主制御装置５０からの指令に基づいて、ステージ制御装置７０は、ウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハＷの表面又はスリット板９０の表面を投影光学系ＰＬの像面に対してＺ方向に指示された量だけデフォーカスさせることもできる。
【００５４】
また、図１の投影光学系ＰＬ近傍には、大気圧変動や温度変動を検知する環境センサ８１が設けられている。この環境センサ８１による計測結果は主制御装置５０に供給されている。また、主制御装置５０に接続されたメモリ５１内には、例えば予め投影光学系ＰＬの組立調整時等に計測されていた所定の高次の収差の情報、及び後述の収差計測方法によって求められる投影光学系ＰＬの収差の情報などが記憶される。
【００５５】
次に、本例の投影露光装置１０における走査露光動作について簡単に説明する。先ず、主制御装置５０は、レチクルＲを用いた露光に最適な照明条件をオペレータの指示に基づいて設定する。次に、上記のレチクルアライメント顕微鏡、及びウエハ側のアライメント系ＡＬＧを用いて、レチクルＲのアライメント及びウエハＷのアライメントが行われる。その後、ウエハステージＷＳＴのステッピングによって、ウエハＷ上で次に露光されるショット領域が光軸ＡＸの手前側に位置決めされる。そして、照明光ＩＬの照射が開始されて、レチクルステージＲＳＴを介して照明領域に対してレチクルＲをＹ方向に速度Ｖｒで移動するのに同期して、ウエハステージＷＳＴを介して露光領域に対してウエハＷ上の一つのショット領域がＹ方向に速度β・Ｖｒ（βは投影光学系ＰＬの投影倍率）で移動する。このようにして、ショット間のステッピング動作とショット毎の同期走査動作とが繰り返されて、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の全てのショット領域にレチクルＲのパターン像が転写される。
【００５６】
ところで、上述した走査露光動作において、レチクルＲのパターンを投影光学系ＰＬを介して高い解像度で高精度にウエハＷ上に転写するためには、投影光学系ＰＬの結像特性が所定の状態に調整されている必要がある。そのためには、その結像特性を高精度に計測する必要がある。以下では、計測及び調整対象の投影光学系ＰＬの結像特性を所定の収差であるとする。
【００５７】
また、その収差を分類するために、波面収差を用いるものとして、投影光学系ＰＬの射出瞳（又は瞳面）上の波面収差を示す収差関数をＷ（ρ，θ）とする。このとき、ρは投
影光学系ＰＬの射出瞳の半径方向の規格化された位置（動径）であり、θは角度であるとすると、その収差関数Ｗ（ρ，θ）は、上述の（１）式のようにｉ次（ｉ＝１，２，…）のツェルニケ多項式(Zernike's Polynomial)ｆｉ(ρ，θ）及びその係数Ｚi を用いて級
数展開することが可能である。なお、ツェルニケ多項式は、フリンジツェルニケ多項式又はツェルニケの円多項式(circle polynomials)とも呼ばれることがある。
【００５８】
なお、一例として１次〜３７次までのツェルニケ多項式ｆｉを対応する係数Ｚi とともに例示すると、次の表１のようになる。
【００５９】
【表１】
2006245145.tif 000004
【００６０】
上記表１に示されるように、各次数のツェルニケ多項式ｆｉ(ρ，θ）は、動径（ρ）
の関数である動径関数と、角度（θ）の関数とが分離した形で表現される。また、ツェルニケ多項式は、その動径関数が奇関数であるものと、偶関数であるものとに分類することができる。例えば、表１に示されるｆ７及びｆ８については、その動径関数がともに３ρ3−２ρ で、奇関数であり、ｆ５及びｆ６は、その動径関数がともにρ2 で、偶関数となっている。各次数のツェルニケ多項式中の角度θの関数は、ｓｉｎ（ｍθ）（ｍは１以上の整数）、又はｃｏｓ（ｍθ）（ｍは０以上の整数）である。そして、その角度ｍθを規定する整数ｍが奇数である場合には、対応する動径関数が奇関数となり、整数ｍが０又は偶数である場合には、対応する動径関数が偶関数となる。このように、動径関数が奇関数で表されるツェルニケ多項式に対応する収差を奇関数収差と呼び、動径関数が偶関数で表されるツェルニケ多項式に対応する収差を偶関数収差と呼ぶ。
【００６１】
投影光学系ＰＬの収差は像の横シフトである横収差と、像のコントラストの変化である縦収差とに分類でき、前者の横収差が奇関数収差であり、後者の縦収差が偶関数収差である。従って、投影光学系ＰＬの収差のうちの球面収差やデフォーカス等は、偶関数収差であり、コマ収差は奇関数収差である。また、ｉ次のツェルニケ多項式の係数Ｚi で、そのｉ次のツェルニケ多項式で表される収差を表わすものとする。本例では、図２の結像特性補正コントローラ７８を含む投影光学系ＰＬの結像特性制御機構によって、球面収差（偶関数収差）である収差Ｚ9,Ｚ16、コマ収差（奇関数収差）である収差Ｚ7,Ｚ8,Ｚ14，Ｚ15、及びディストーション（奇関数収差）である収差Ｚ2,Ｚ3 を含む複数の収差を補正でき
るように構成されている。本例では、これらの奇関数収差及び偶関数収差の計測に、前述した空間像計測装置５９が用いられる。以下、この空間像計測装置５９による空間像計測、及び投影光学系ＰＬの収差の計測等について詳述する。
【００６２】
図３には、空間像計測装置５９を用いて、レチクルマーク板ＲＦＭに形成された計測用マークＰＭの空間像が計測されている状態が示されている。なお、レチクルマーク板ＲＦＭに代えて、空間像計測専用のテストレチクル、あるいはデバイスの製造に用いられるレチクルＲに専用の計測用パターンを形成したものなどを用いることも可能である。ここで、レチクルマーク板ＲＦＭには、所定の箇所にＹ方向に周期性を有しライン部の幅とスペース部の幅との比（デューティ比）が１：１のラインアンドスペースパターン（以下、「Ｌ＆Ｓパターン」と呼ぶ）から成る計測用マークＰＭが形成されているものとする。なお、このような計測用マークＰＭは、実際にはレチクルマーク板ＲＦＭ上に複数個設けられているマークのうちの一つである。
【００６３】
ここで、空間像計測装置５９を用いた空間像計測の方法について簡単に説明する。なお、スリット板９０には、例えば図４（Ａ）に示されるように、Ｘ方向に延びる所定幅２Ｄのスリット１２２（開口パターン）が形成されているものとする。空間像の計測にあたり、図１の主制御装置５０によって、可動レチクルブラインド３０Ｂが不図示のブラインド駆動装置を介して駆動され、図３に示されるように、レチクルＲの照明光ＩＬの照明領域が計測用マークＰＭを含む所定領域のみに制限される。
【００６４】
この状態で、照明光ＩＬがレチクルマーク板ＲＦＭに照射されると、図４（Ａ）に示されるように、計測用マークＰＭによって回折、散乱した光（照明光ＩＬ）は、投影光学系ＰＬにより屈折され、投影光学系ＰＬの像面に計測用マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’が形成される。このとき、ウエハステージＷＳＴは、空間像計測装置５９のスリット板９０上のスリット１２２の＋Ｙ方向側（−Ｙ方向側でもよい）にその空間像ＰＭ’が形成される位置に設定されているものとする。このときのスリット板９０を投影光学系ＰＬ側から見たときの平面図が図４（Ａ）に示されている。なお、投影光学系ＰＬの投影倍率が１／４であるとすると、この空間像ＰＭ’のピッチ（周期）は、計測用マークＰＭのＬ＆Ｓパターンのピッチの１／４となる。なお、以下の説明では、各計測マーク等の線幅及びピッチは、それぞれその空間像の線幅及びピッチを指しているものとする。
【００６５】
そして、主制御装置５０によって、ウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴ（走査機構）が図４（Ａ）中に矢印Ｆで示されるように＋Ｙ方向に駆動されると、スリット１２２が空間像ＰＭ’に対してＹ方向に走査される。この走査中に、スリット１２２を通過する光（照明光ＩＬ）がウエハステージＷＳＴ内の光学系、ミラー９６、受光レンズ８９を介して光センサ９４で受光され、その光電変換信号ＰＳが信号処理装置８０を介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、その光電変換信号に基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布情報を取得する。なお、空間像ＰＭ’とスリット１２２とは、スリット１２２に垂直な方向に相対走査すればよい。そのため、スリット１２２を静止させておいて、図１のレチクルステージＲＳＴ（走査機構）を介してレチクルマーク板ＲＦＭを移動させることによって、空間像ＰＭ’側を移動してもよい。
【００６６】
図４（Ｂ）には、上記の空間像計測の際に得られる光電変換信号（光強度信号）ＰＳの一例が示されている。この場合、空間像ＰＭ’は、スリット１２２の走査方向（Ｙ方向）の幅（２Ｄ）の影響で像が平均化する。従って、スリット１２２の走査方向（ここではＹ方向）の透過率分布をｐ（ｙ）とし、空間像の光強度分布をｉ（ｙ）とし、観測される光強度信号をｍ（ｙ）とすると、空間像の強度分布ｉ（ｙ）と観測される強度信号ｍ（ｙ）との関係は、以下の（２）式で表される。なお、この（２）式において、強度分布ｉ（ｙ）、強度信号ｍ（ｙ）の単位は、単位長さ当たりの強度であり、ｕ軸は、ｙ軸と同一の座
標軸であるとする。
【００６７】
【数２】
2006245145.tif 000005
【００６８】
但し、スリット１２２の透過率分布の関数ｐ（ｙ）は、以下の（３）式で表される。
【００６９】
【数３】
2006245145.tif 000006
【００７０】
即ち、観測される強度信号ｍ（ｙ）は、スリッ卜１２２の関数ｐ（ｙ）と空間像の光強度分布ｉ（ｙ）とのコンボリューションになる。
従って、計測精度の面からは、スリット１２２の走査方向（ここではＹ方向）の幅（以下、単に「スリット幅」と呼ぶ）２Ｄは小さい程良い。本例のように、フォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭＴ）を光センサ９４として用いる場合には、スリット幅が非常に小さくなっても走査速度を遅くして計測に時間をかければ光量（光強度）の検出は可能である。しかしながら、現実には、スループットの面から空間像計測時の走査速度に一定の制約があるため、スリット幅２Ｄがあまりにも小さいと、スリット１２２を透過する光量が小さくなり過ぎて、計測が困難となってしまう。本例では、スリット幅２Ｄは、２００ｎｍ程度以下で、例えば１００〜１５０ｎｍ程度に設定される。なお、スリット１２２の代わりに、ピンホールを用いて空間像ＰＭ’を走査してもよい。ピンホールの場合には方向性はないが、光量が少なくなる。そこで、特に空間像ＰＭ’のピッチが大きいような場合に、ピンホールを使用することができる。また、ピンホールを用いる場合には、受光量を多くするために、その直径はスリット幅２Ｄの２倍程度、即ち４００ｎｍ程度以下で例えば２００〜３００ｎｍ程度に設定される。
【００７１】
このように空間像計測装置５９を用いた空間像計測動作によって、計測用マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’における光強度分布を計測することができる（第１工程）。その計測された光強度分布の情報は図１の主制御装置５０に供給される。その光強度分布の情報には、空間像ＰＭ’の横方向の結像位置（横シフト）及び振幅（コントラスト）の情報が含まれているため、主制御装置５０（演算装置）は、その情報を用いて奇関数収差及び偶関数収差を求めることができる（第２工程）。更に、その光強度分布情報を用いて、投影光学系ＰＬに対するベストフォーカス位置のキャリブレーションを行うことができるとともに、所定のマーク像のＸ方向、Ｙ方向の位置も求めることができる。
【００７２】
また、本例では、９次を超える所定次数までのツェルニケ多項式によって表される収差を計測するものとする。このためには、空間像ＰＭ’として、後述のように方向及びピッチの異なる種々の周期マークの空間像を計測する必要がある。そのためには、スリット板９０にも複数の方向に配列されたスリット（開口パターン）を形成しておく必要がある。
図９は、本例のスリット板９０上に形成された開口パターンとしての複数のスリットの配置を示し、この図９において、スリット板９０上には、Ｙ方向に伸びるスリット幅２Ｄで長さＬのスリット１２２ｂと、このスリット１２２ｂを９０°回転した形状のＸ方向に伸びるスリット１２２ａとが形成されている。更に、スリット板９０上には、それぞれ幅２Ｄで長さＬ１の６個の収差計測用のスリット９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ（スリット状開口パターン）が形成されている。この場合、スリット９Ａ及び９Ｄはそれぞれスリット１２２ｂ及び１２２ａの延長上に配置され、残りの４個のスリット９Ｂ，９Ｃ，９Ｆ，９Ｅはほぼ正方形の４個の頂点の位置にあり、１組のスリット１２２ｂ及び９Ａと、別の１組のスリット１２２ａ及び９Ｄとはほぼその正方形の隣り合う２辺を構成している。また、その正方形のほぼ中心に直径がほぼ４Ｄのピンホール１２３が形成されている。これらのスリット１２２ａ，１２２ｂ，９Ａ〜９Ｆ、及びピンホール１２３を通過した照明光は、図３の光センサ９４で受光される。この場合、スリット１２２ａ及び９Ｄ、スリット１２２ｂ及び９Ａ、スリット９Ｂ、スリット９Ｃ、スリット９Ｅ、スリット９Ｆ、並びにピンホール１２３を通過した照明光を個別に検出するために、例えばスリット板９０の底面にスリット選択部材としての液晶パネルを設けて、選択された１組若しくは一つのスリット、又はピンホールを通過した照明光のみが光センサ９４に入射するようにしてもよい。
【００７３】
本例では、各スリット像のスリット幅２Ｄは１００ｎｍ程度、スリット１２２ａ，１２２ｂの長さＬは８μｍ程度、スリット９Ａ〜９Ｆの長さＬ１は３μｍ程度である。これらのスリット幅及び長さは、投影像の段階での値である。また、スリット１２２ａとスリット９Ｄとの間隔、及びスリット１２２ｂとスリット９Ａとの間隔はそれぞれ１〜２μｍ程度である。この場合、スリット１２２ａ及び１２２ｂは、ベストフォーカス位置のキャリブレーション及びマーク像の位置計測を行うために使用される。また、スリット１２２ａ及び１２２ｂを使用する際には、それぞれその延長上にある収差計測用のスリット９Ｄ及び９Ａも同時に使用される。このようにスリット１２２ａ及び１２２ｂに対してそれぞれ収差計測用のスリット９Ｄ及び９Ａを同時に使用することによって、ベストフォーカス位置及び像位置の計測時に十分な光量を確保することができ、計測再現性が向上する。
【００７４】
また、図９の収差計測用のスリット９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅ，及び９Ｆの長手方向（配列方向）は、それぞれＸ軸に対して反時計回りに９０°、φ５、φ６、０°、φ７、及びφ８で交差する方向である。この場合、各スリット９Ａ〜９Ｆは、対応する空間像に対してその長手方向に直交する方向（計測方向）に相対的に走査される。言い換えると、６個のスリット９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅ，及び９Ｆの計測方向は、それぞれＸ軸に対して反時計回りに０°、φ１（＝φ５−９０°）、φ２（＝φ６−９０°）、９０°、φ３（＝φ７＋９０°）、及びφ４（＝φ８＋９０°）で交差している。一例として、角度φ１は３０°、角度φ２は４５°、角度φ３は１２０°、角度φ４は１３５°である。このように本例のスリット板９０を使用することによって、投影光学系ＰＬの光学特性としての収差をオンボディで迅速に計測することができる。
【００７５】
なお、計測対象の収差が、係数Ｚ37までの０θ、１θ、ｃｏｓ２θ成分である場合には、図９のスリット板９０上の２個のスリット９Ａ，９Ｄ、即ち計測方向がＸ軸に対して０°、９０°で交差する２個のスリット（開口パターン）を使用するのみでもよい。
次に、奇関数収差及び偶関数収差を理論的に定量的に表わすために、以下の計算を行う。この場合の計測対象の空間像を、図３の計測用マークＰＭの空間像ＰＭ’とする。ここで、計測用マークＰＭの空間像ＰＭ’における図４（Ａ）のＹ方向の複素振幅分布をｏ（ｙ）とし、その空間周波数スペクトルをＯ（ｓ）とする（ｓは、空間周波数軸上の座標である）。計測用マークＰＭの空間像ＰＭ’の周期パターンに含まれる空間周波数成分のうち、２つの空間周波数成分をそれぞれｆ’、ｆ”とすると、そのスペクトルＯ（ｆ’）、Ｏ（ｆ”）のビートによって生じる干渉縞に、ある重みを掛けたものを全体の空間周波数で積分したものが計測用マークＰＭの空間像ＰＭ’の強度分布ｉ（ｙ）となる。この重みをクロスモジュレーション係数（The Cross modulation coefficient）Ｔ（ｆ’，ｆ”）というが、このクロスモジュレーション係数Ｔ（ｆ’，ｆ”）は、以下の（４）式によって定義される。
【００７６】
【数４】
2006245145.tif 000007
【００７７】
この式において、Ｆは投影光学系ＰＬの射出瞳（又は瞳面）における瞳関数であり（* は複素共役を示す）、σ（ξ，η）は有効光源である。なお、ξ，ηは、投影光学系ＰＬの射出瞳上における直交座標軸である。従って、部分コヒーレント照明による計測用マークＰＭの結像式は、以下の（５）式によって表される。
【００７８】
【数５】
2006245145.tif 000008
【００７９】
［奇関数収差（横収差）の計測］
一般に、瞳内の計測点での奇関数収差の収差量と像シフト量とは単位を位相とすれば絶対値が一致する。長さの単位から位相の単位への換算は次式で表される。
像シフト量（位相）＝（像シフト量（長さ）／マークピッチ）×３６０°…（Ｋ１）
なお、瞳内の計測点の収差量は有効照明サイズ（照明光学系の瞳面における２次光源の大きさ）で決まり、その２次光源の一例は小輪帯状である。
【００８０】
また、瞳内の計測点を極座標（ρ，θ）で示すと、θは計測マークの配列方向（繰り返し方向及びその反対方向）と一致し、動径ρは、マークピッチＰ、投影光学系の開口数ＮＡ、及び露光波長λを用いて次のようになる。
ρ＝λ／（Ｐ・ＮＡ）  …（Ｋ２）
ここでは、奇関数収差があるときの（５）式の結像式を具体的に計算する。一例として、その奇関数収差は、７次のツェルニケ多項式ｆ７(ρ，θ）で表されるコマ収差Ｚ7 であるとする。また、ツェルニケ多項式ｆ７(ρ，θ）は、次のように射出瞳上での位相遅れを示す。
【００８１】
ｆ７(ρ，θ）＝（３ρ3 −２ρ）ｃｏｓθ    …（Ａ１）
この場合、説明の便宜上、（５）式の位置ｙをｘ’で置き換える。そして、図４（Ａ）に示すように、計測用マークＰＭの空間像ＰＭ’のピッチＰhが１／ｆhであり（Ｐh＝１
／ｆh）、５０％デューティ（ライン幅とスペース幅とが同じ）であるとする。空間像Ｐ
Ｍ’のピッチＰh に対応する空間周波数成分を基本波成分とした場合のＮ次の高調波成分（Ｎは奇数）の強度ＩhN(ｘ’)は、以下の式で示される。なお、この場合、ｆh は空間像ＰＭ’の基本空間周波数である。
【００８２】
【数６】
2006245145.tif 000009
【００８３】
この式において、ｃ0 及びｃN はそれぞれ０次及びＮ次のフーリエスペクトルの振幅を表す。そして、角度φhNはＮ次の高調波の収差（横シフト）であり、次式で表される。
【００８４】
【数７】
2006245145.tif 000010
【００８５】
ここで、基本波の位相をコヒーレント照明（コヒーレンスファクタ（σ値）が０）の例で考える。計測用マークＰＭが、先に述べたように５０％デューティでピッチＰh が１／ｆh のＬ＆Ｓパターンの場合、その複素振幅分布ｏ（ｘ’）は次式にて表される。但し、
フーリエ係数であるｃ0,ｃ1,ｃ3,ｃ5 ，…の値はそれぞれ１／２，１／４，−１／１２，１／２０，…である。
【００８６】
【数８】
2006245145.tif 000011
【００８７】
ここで、計測用マークＰＭを０．５μｍのＬ＆Ｓパターン（空間像の線幅が０．５μｍ）として、図３の投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを０．７８として、コヒーレント照明の場合を考えると、結像に寄与する高調波は３次までになる。更に、コヒーレント照明では射出瞳上の収差量は各回折光に対して高々１つの位相差を与えるだけである。更に、コマ収差Ｚ7 を表わす７次のツェルニケ多項式ｆ７は、（Ａ１）式から分かるように奇関数であるため、空間周波数ｆh における収差量をｅｘｐ（ｉφ1)、空間周波数３ｆh における収差量をｅｘｐ（ｉφ3)として、（８）式は次の（９）式で表わすことが可能である。
【００８８】
【数９】
2006245145.tif 000012
【００８９】
（９）式の各フーリエ成分から１次（基本波）成分を構成する場合を考えると、その１次成分は、０次成分と１次成分とのビートのみで構成されることが明らかである。０次成分と１次成分とのビートを考えると、１次成分の強度分布は（１０）式で示され、１次成分の位相φh1は（１１）式で示される。
【００９０】
【数１０】
2006245145.tif 000013
【００９１】
【数１１】
2006245145.tif 000014
【００９２】
また、コヒーレント照明では、１次成分の強度分布は次のようになる。
【００９３】
【数１２】
2006245145.tif 000015
【００９４】
この式は、収差Ｚ7 によって、空間像の位相がφ1 だけ変化して、像シフトが発生することを示している。具体的に収差の変化に対する位相の変化量である感度（ツェルニケ感度）を調べる。この場合、露光波長λが１９３ｎｍ及び開口数ＮＡが０．７８のもとで、０．５μｍのＬ＆Ｓパターン（ピッチは１μｍ）の空間像を考えると、１次回折光の回折角の正弦は０．１９３となるため、その１次成分の射出瞳上での動径ρ＝０．２４７である。そこで、（Ａ１）式より、７次のツェルニケ多項式ｆ７(ρ，θ）のその１次成分に
対する値（ツェルニケ感度）は次のようになる。
【００９５】
ｆ７(ρ＝０．２４７，θ＝０）＝−０．４４９    …（Ａ２）
例えば２０ｍλの収差が発生すると、収差Ｚ7 ＝２０（ｍλ）であるため、位相φ1 は次のようになる。なお、λを３６０°としている。
φ1 ＝ｆ7 ×Ｚ7 ＝−０．４４９×２０（ｍλ）＝−３．２３°  …（Ａ３）
この位相変化は、空間像の横ずれ量（像シフト量）としては、１ピッチが１μｍであるため次のようになる。
【００９６】
像シフト量＝１（μｍ）×（−３．２３／３６０）＝−８．９７（ｎｍ）
従って、図４（Ａ）の空間像ＰＭ’の像シフト量を計測し、この計測値と予め計算（光学シミュレーション）によって求めることができるツェルニケ感度とを用いて、７次のツェルニケ多項式によって表されるコマ収差Ｚ7 （横収差量）を計測できる。この場合、何次のツェルニケ多項式までの収差をフィッティングするかによって、測定する計測用マークのピッチ（線幅）又は周期方向を複数用意する必要がある。
【００９７】
［偶関数収差（縦収差）の計測］
ここでは、偶関数収差があるときの（５）式の結像式を具体的に計算する。一例として、その偶関数収差は、表１の９次、１６次、及び２５次のツェルニケ多項式ｆ９，ｆ１６，ｆ２５で表される収差Ｚ9 ，Ｚ16，Ｚ25であるとする。なお、本例で重要な９次のツェルニケ多項式ｆ９（ρ，θ）を以下に示す。１６次及び２５次のツェルニケ多項式ｆ１６（ρ，θ）及びｆ２５（ρ，θ）は表１に示されている。
【００９８】
ｆ９（ρ，θ）＝（６ρ4−６ρ2＋１）        …（Ａ４）
図４（Ａ）に示されるように、計測用マークＰＭの投影像である空間像ＰＭ’のピッチＰh が１／ｆh であり、５０％デューティ（ライン幅とスペース幅とが同じ）であるとする。空間像ＰＭ’のピッチＰh に対応する空間周波数成分を基本波成分とした場合のＮ次の高調波成分（Ｎは奇数）の強度分布ＩhN_even(y)は、以下の（１５）式で示される。なお、この場合、ｆh は空間像ＰＭ’の基本空間周波数である。
【００９９】
【数１５】
2006245145.tif 000016
【０１００】
従って、投影光学系ＰＬの偶関数収差の周波数Ｎｆh における収差量を、０次光を基準としてｅｘｐ（ｉφN_even）とすると、コヒーレント照明での前述の強度分布ＩhN_even_coh(y)は、上述の（１５）式から、以下の（１６）式で示される。
【０１０１】
【数１６】
2006245145.tif 000017
【０１０２】
上記の（１６）式から明らかなように、偶関数収差によって、基本波成分のＮ次の高調波成分の位相差は変化せず、その成分の振幅が変化する。従って、本例の収差計測方法では、所定次数（Ｎ次）の空間周波数成分の振幅に基づいて、投影光学系ＰＬの偶関数収差の量を算出する。なお、本例では、偶数次、例えば２次の高調波成分の振幅に基づいて、偶関数収差を求めるようにしてもよい。しかしながら、デューティ５０％のＬ＆Ｓパターンである計測用マークＰＭの空間像ＰＭ’の空間周波数成分には、２次の高調波成分が原理的には存在しないため、他の次数の高調波成分同士の所定のビート成分をその２次の高調波成分として用いる必要がある。
【０１０３】
次に、本例の投影光学系ＰＬの偶関数収差の計測方法につき詳細に説明する。この計測方法では、投影光学系ＰＬの実際の収差、例えば所定の偶関数収差の量を変化させながら、他の偶関数収差を計測する。一例として、ここでは低次偶関数収差Ｚ9 を変化させ、各周波数成分の振幅のピークを与えるときのＺ9 の値を評価量として他の収差、例えばＺ16等の高次の偶関数収差の量を計測するものとする。その収差Ｚ9 は、上述のように、図２の結像特性補正コントローラ７８を含む投影光学系ＰＬの結像特性制御機構によって制御することができる。
【０１０４】
ここで、収差Ｚ16の計測方法について説明する。図５は、投影光学系ＰＬの射出瞳（又は瞳面）上での規格化された位置における偶関数収差の各収差（Ｚ4，Ｚ9，Ｚ16，Ｚ25）による位相遅れを、対応する表１のツェルニケ多項式ｆ４，ｆ９，ｆ１６，ｆ２５の値をもって位相遅れレベルとして示している。また、図６は、図５に対して収差Ｚ16の量は同じで、収差Ｚ9 の量を変化させた場合の位相遅れレベルを示している。図５に示すように、実線で表されるＺ16についての位相遅れレベルは、瞳位置の座標値が±０．５２５のところで極値を有しており、その値は０．４４７となっている。その瞳位置の座標値０．５２５に位置する１次回折光を発生するパターンとしては、光学系の条件を、ＮＡ＝０．７８，σ＝０（コヒーレント照明），λ＝１９３ｎｍとした場合に、ピッチ＝λ／（ＮＡ×０．５２５）＝４７１ｎｍとなるので、線幅２３５ｎｍのＬ＆Ｓパターンを用いることができる。このパターンの空間像の振幅は、投影光学系ＰＬの収差がＺ16のみであるとすると、Ｚ16が０のときに最大となる。このことは、（１６）式から明らかである。また、収差Ｚ16についての位相遅れレベルは、光軸（瞳位置＝０）上では−１となっているため、図５における収差Ｚ16に起因する±０．５２５の極値での位相遅れレベル（±１次回折光の位相）と、光軸上での位相遅れレベル（０次光の位相）との位相差は、１．４４７となる。
【０１０５】
このとき、図６において、１６次のツェルニケ多項式に乗じる係数（ツェルニケ係数）で表した場合のＺ16の収差量がＣ（今のところ未知数のため「Ｃ」と規定している）だけ存在するとした場合、図５の位相差（１．４４７）を用いると、Ｚ16に起因する瞳座標０．５２５に位置する１次回折光と光軸上の０次光との位相差Ｂは、次のようにＣ×１．４４７となる。
【０１０６】
Ｂ＝Ｃ×１．４４７      …（Ａ９）
次に、図５において、Ｚ9 に起因する瞳座標０．５２５に位置する１次回折光と光軸上の０次光との位相差はほぼ−１．２である。従って、図６において、ツェルニケ係数で表した場合のＺ9 の収差量をＶだけ発生させるものとした場合、Ｚ9 に起因する瞳座標０．５２５に位置する１次回折光と光軸上の０次光との位相差Ａは、次のようになる。
【０１０７】
Ａ＝−Ｖ×１．２        …（Ａ１０）
そして、その位相差Ａによって（Ａ９）式のＺ16に起因する位相差Ｂを相殺して（Ａ＝−Ｂ）、１次回折光と０次光との位相差が０となるときに、線幅２３５ｎｍのＬ＆Ｓパターンの空間像の振幅は最大となる。また、位相差Ａは、Ｚ9 の収差量Ｖを変化させることによって任意に設定可能である。そのように、位相差Ａによって位相差Ｂを相殺するための、Ｚ9 の収差量Ｖは次のようにほぼ１．２Ｃとなる。
【０１０８】
Ｖ＝−Ｂ／（−１．２）＝Ｃ×１．４４７／１．２≒１．２Ｃ  …（Ａ１１）
この場合、線幅２３５ｎｍのＬ＆Ｓパターンの空間像の振幅が最大となるように、Ｚ9 の収差量Ｖを設定すると、その収差量ＶにＺ16の収差量Ｃの情報が含まれている。言い換えれば、Ｚ16の値をＺ9の値から換算可能ということになる。なお、この際には、計測精
度を高める観点からすれば、Ｚ9を順次変更した際の空間像の基本波成分の振幅が最大と
なるＺ9の値から、Ｚ16の値を換算するのが望ましい。
【０１０９】
図７は、Ｚ9を変化させたときの、空間像強度の基本波成分の振幅をシミュレーショ
ンで計算したときの計算結果を示す。このシミュレーションでは、光学系の条件を、ＮＡ＝０．７８、σ＝０．１、λ＝１９３ｎｍとし、計測マークを線幅２３５ｎｍのＬ＆Ｓパターンとした。また、図７においては、Ｚ16の収差量が０、２０、４０、６０、１００（ｍλ）の場合の基本波成分の振幅の変化が示されている。なお、ここで、Ｚ9を変化さ
せながら基本波成分の振幅の値を順次計測しているのは、振幅のピーク位置を高精度に決定するためである。その振幅のピーク位置はＺ9の収差量（以下、「Ｚ9換算値」と言う）で求められる。また、その振幅のピーク位置はＺ16の量に比例して変化する。
【０１１０】
図８は、図７のＺ16の収差量と振幅のピーク位置（Ｚ9換算値）との相関関係を示
す。図８に示すように、Ｚ16の収差量とＺ9換算値でのピーク位置とは、ほぼ完全に比
例関係にあり、相関係数Ｒ2＝１となっている。Ｚ16の変化に対するピーク位置（Ｚ9換算値）の変化の割合は、いわゆるツェルニケ感度で０．９１５７と計算される。なお、この感度はＮＡ、σ、波長、計測マークによって変化する。
【０１１１】
以上述べたように、空間像計測を、投影光学系ＰＬの第１の収差としてのＺ9を複数の
量に設定して実行し、計測された空間像、即ち光強度信号に含まれる基本波成分の大きさが最大となる位置と、その所定次数の高調波成分の大きさが最大となる位置とをＺ9換算
で求め、これらの位置の差を評価量として第２の収差としてのＺ16を算出することができる。
【０１１２】
なお、その他の偶関数成分の収差Ｚ25，Ｚ36も計測する場合、計測マークを３種類以上とし、これらの計測マークにおけるツェルニケ感度をＺ16,Ｚ25,Ｚ36に関して求めておき、３種類以上のマークでＺ9 換算での振幅のピーク位置δm(ｍ＝１，２，３，…）を測定し、所定の連立方程式を解くことによって、Ｚ16，Ｚ25，Ｚ36それぞれの収差量を求めることができる。
【０１１３】
なお、上記の基本波成分（基本周波数成分）の振幅を求める際に、例えば図９のスリット９Ａで周期方向がＸ方向の計測マークの空間像をＸ方向に走査して検出信号をＸ座標に対応させて取り込み、１次元の空間像情報を得てから、これをフーリエ変換して基本波成分の振幅を計算する方法は、時間がかかってしまう。特に、例えば図９のスリット板９０の位置をＺ方向に次第に変えながら、Ｚ方向の各位置で上記のＸ方向への走査とフーリエ変換を用いる計算とを繰り返すような場合には、計測時間がかなり長くなり、露光工程のスループットが低下する。
【０１１４】
そこで、本例では、その計測マークの空間像を３光束干渉状態で検出することによって、投影光学系ＰＬの収差の計測時間を短縮する。これについて図１０及び図１１を参照して説明する。
図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）及び図１１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、それぞれ計測マークとしてウエハ上での線幅が４７８ｎｍのデューティ比が１：１のライン・アンド・スペースパターンの空間像の光強度分布を示している。また、その計測マークは、クロム膜に形成された通常のレチクル用のマークであり、露光波長は１９３ｎｍ、検出用のスリット幅は１５０ｎｍ、投影光学系の開口数ＮＡは０．９２、照明光学系の開口数ｉＮＡは、０．９２×０．０４５（σ値が０．０４５）である。
【０１１５】
そして、図１０（Ａ）、図１１（Ａ）はベストフォーカス位置での空間像、図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）は０．３μｍデフォーカスしたときの空間像、図１０（Ｃ）、図１１（Ｃ）は２．０μｍデフォーカスしたときの空間像、図１０（Ｄ）、図１１（Ｄ）は２．３４μｍデフォーカスしたときの空間像を示している。
また、図１０（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ投影光学系の開口数ＮＡを最大値（０．９２）のままとしたときの空間像の光強度分布（横軸は位置（μｍ））を示し、波線Ａは空間像そのもの、正弦波曲線Ａ１は基本波成分（基本周波数成分）、直線ＤＣは直流成分、他の複数の曲線ＡＨは高調波成分を表している。本例のようにデューティ比が１：１の（光の透過するスペースの幅と光の透過しないラインの幅との寸法が等しい）計測マークでは、０次光以外の偶数次数の回折光を発生しない。
【０１１６】
この条件では投影光学系のテレセントリシティのずれが無ければ、投影光学系を通過する回折光は０次光、±１次光、±３次光までとなり、言うなれぱ５光束干渉の状態である。この状態では、空間像のフーリエスペクトルとしては基本波の他に高調波として２次、３次、４次、５次、６次高調波までが含まれる。空間像の１点での強度を計測することで基本波の振幅を計測できれば良いのであるが、例えば図１０（Ａ）の空間像Ａは山部（高レベル部分）の頂上が２つに割れており、さらにコマ収差の影響で非対称になっている。山部の頂上が割れている原因は３次高調波の位相が反転していることに依存する。
【０１１７】
そこで、一例として空間像の振幅が最大となる位置は、基本波成分の振幅が最大になる位置であるとする。このときには、図１０（Ａ）の右端部から最初に基本波成分Ａ１の正弦波の振幅が最大になる辺り、つまりほぼ−０．４７８μｍの位置での基本波成分Ａ１の信号強度を計測すればよい。
さらに、０．３μｍデフォーカスしたときの空間像を示す図１０（Ｂ）において、このときは３次成分の位相が反転しており、空間像Ａの−０．４７８μｍ付近での振幅はむしろ増大している一方で、基本波成分Ａ１の振幅は減少している。これは、空間像Ａの振幅が最大になるときのデフォーカス量と、基本波成分Ａ１の振幅が最大になるときのデフォーカス量とは異なっていることを意味している。また、１μｍのデフォーカスを与えた図１０（Ｃ）、２．３４μｍのデフォーカスを与えた図１０（Ｄ）のいずれにしても、５光束干渉の空間像Ａの１点での強度情報から、基本波成分Ａ１の振幅が最大となるときのデフォーカス位置を計測することは困難である。
【０１１８】
そこで、本例ではこのような５光束以上の干渉状態になる計測マークの像の偶関数収差を計測する際に、図３の投影光学系ＰＬの可変開口絞りＡＳを絞って、強制的に０次回折光及び±１次回折光の３光束干渉状態とする（第１工程）。この後、図９のスリット９Ａ〜９Ｆを用いて空間像の光強度分布の計測を行い（第２工程）、その計測結果に基づいて投影光学系ＰＬの収差を求める（第３工程）。ここでも、上述の例と同じく、投影光学系ＰＬの最大の開口数ＮＡは０．９２、照明光学系の開口数ｉＮＡは０．９２×０．０４５、露光波長λは１９３ｎｍの場合を考える。この場合、図３の可変開口絞りＡＳを用いて投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを０．５６に絞ることで３光束干渉の状態になる。
【０１１９】
３光束干渉とするための条件は、絞ったあとの開口数ＮＡをＮＡaft 、マークピッチをＰとすると次式で示される。
λ／Ｐ＋ｉＮＡ≦ＮＡaft ≦３λ／Ｐ−ｉＮＡ    …  （１７）
さて、このように開口数ＮＡaft を０．５６に絞った場合の空間像Ａ、基本波成分Ａ１、高調波成分ＡＦを図１１（Ａ）〜（Ｄ）に示す。高調波成分ＡＦは２次高調波成分のみが存在する。３次以上の高調波成分も若干見受けられるが、これは電気系の非線形性も含んだシミュレーションのためであり、光学的には２次高調波までである。２次高調波は基本周波数成分と同位相で、ピーク位置が一致している。また、図１１（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すようにデフォーカスによって２次高調波成分の振幅はほとんど変わらない。これは２次高調波成分が±１次回折光による２光束干渉によって形成されているためである。ちなみに照明光学系の開口数ｉＮＡ＝０の状態では、原理的にはデフォーカスによって振幅の変化は無くなる。また、２光束干渉によって像が形成されているので、収差は投影光学系中の±１次回折光のあたっている部分の影響のみを受ける。
【０１２０】
ここで図１０（Ａ）と同様に基本波成分Ａ１の振幅を計測するために、図１１（Ａ）の右端部から−０．４７８μｍ付近の光強度を計測するとする。空間像Ａのピーク位置は奇関数の収差によって位置が変位するが、１次高調波と２次高調波とのウエハ面内での収差による横ずれ量は一致する。これは両者の収差による位置ずれ量が±１次回折光のあたっている部分の収差量で決まるためである。従って、奇関数収差の存在によって基本波成分と２次高調波成分とは同じ量だけシフトするので、これらから形成される空間像のピーク位置と基本波成分及び２次高調波成分のピーク位置とは一致する。空間像は基本波と２次高調波成分とからなり、これら３者のピーク位置は一致するのであるから、ピーク位置に対して空間像は対称な形状であることはいうまでも無い。
【０１２１】
従って、空間像Ａを適当な閾値で横方向の位置に関して２値化して、例えばハイレベルとなる部分のエッジの中心を検出することで、容易に基本波成分Ａ１のピーク位置を推定できる。このように求めたピーク位置の１点で、図３の空間像計測装置５９の受光面を投影光学系の光軸に平行に移動させて、光強度を計測することにより、図７を参照して説明したように基本波成分の振幅強度ピークを与えるもう一つの偶関数収差量を計測可能である。基本波成分の振幅最大を与えるもう一つの偶関数収差量は、２次高調波成分の最大振幅を与えるもう一つの偶関数収差成分と全く同じとは限らないが、照明光学系の開口数ｉＮＡが小さい（概ねｉＮＡが０．１程度以下）場合は、それぞれの回折光が投影光学系の瞳面内で占める面積内の収差は均一と考えられる。その場合は２次高調波成分の振幅は一定と考えられるので、基本波成分の振幅の最大値を与える、もう一つの偶関数収差成分の収差量を計測することができる。
【０１２２】
一方、デフォーカスの収差よりも高次の偶関数収差が無視できないほど存在し、計測時の照明光学系の開口数ｉＮＡが比較的大きい場合は、２次高調波成分の振幅を最大とするもう一つの偶関数収差量は基本波成分を最大とする偶関数収差量と異なる可能性が高い。
図１２を参照してこの現象について説明する。図１２は偶関数で表される波面の一例を示し、この図１２において、座標（ξ、η）は瞳座標系を示し、この面に直交する方向は任意単位の収差量を示す。また、０次光と±１次回折光とが通過する場所を、照明光学系の開口数ｉＮＡの大きさを表す円で示している。円内の波面は平面で近似できるとする。この場合、±１次回折光の通過部を示す円形部が互いに平行なときに、２光束干渉によって形成される２次高調波の振幅は最大になる。従って、もう一つの偶関数収差を図１２と同じ程度の低次の偶関数収差で与えると、これらの２つの円形部の相対的な傾きを制御できるので、図１２の状態よりも２次高調波の振幅を大きくすることができる可能性がある。一方、基本波成分の振幅が最大になる状態は、図１２の±１次回折光が通過する円形部内の平均収差量と０次光が通過する円形部内の平均収差量とが一致するように、もう一つの偶関数収差を与えたときであり、２次高調波の振幅が最大になるところと一致する保証はない。このように照明光学系の開口数ｉＮＡの大きさと高次偶関数収差の存在とによって発生する、偶関数収差量の計測誤差はシミュレーションによって確認し、事前に最適な照明光学系の開口数ｉＮＡの大きさとすることが望ましい。
【０１２３】
以上の点に注意して、空間像の１点での光強度を計測しながら、もう一つの偶関数収差を変化させることで、基本波成分の振幅を最大とさせるもう一つの偶関数収差量、すなわち計測対象のピッチのマークによって決定すされ投影光学系ＰＬの瞳面上の収差計測点での偶関数収差量が計測可能となる。計測の際に所定量のもう一つの偶関数を与える方法は、図２の投影光学系ＰＬのレンズエレメント１３1 ，１３2 等の移動、又は図３の空間像計測装置５９の受光部（スリット板９０）のデフォーカスによって与えられる。
【０１２４】
次に、ツェルニケ多項式の３７次までの係数で表される収差を計測する場合に、図９のスリット板９０（スリット９Ａ〜９Ｆ）と組み合わせて使用する計測用パターンの例を図１３に示す。図１３の計測用パターンは、図３のレチクルマーク板ＲＦＭのパターン面に形成されたものであるが、その計測用パターンをレチクルＲの代わりにレチクルステージＲＳＴ上にロードされるテストレチクルに形成しておいてもよい。
【０１２５】
図１３において、レチクルマーク板ＲＦＭの付属マーク領域６１には、ベストフォーカス位置計測用のＸ軸のマーク６２Ｘ及びＹ軸のマーク６２Ｙ（フォーカス用マーク）と、投影像の位置計測用のＸ軸のマーク６３Ｘ及びＹ軸のマーク６３Ｙ（像位置用マーク）とが形成されている。付属マーク領域６１の大きさは、投影光学系ＰＬによる投影像で表わすとほぼ６０μｍ角であり、マーク６２Ｘ，６２Ｙ，６３Ｘ，６３Ｙの配置は投影像の状態での配置を表している。Ｘ軸のマーク６２Ｘ，６３Ｘの像に対して図９のスリット１２２ｂをＸ方向に走査し、Ｙ軸のマーク６２Ｙ，６３Ｙの像に対して図９のスリット１２２ａをＹ方向に走査して、それらの空間像の光強度分布を計測することによって、レチクルマーク板ＲＦＭの投影像のデフォーカス量、及びその付属マーク領域６１の像のＸ方向、Ｙ方向の位置を計測することができる。
【０１２６】
また、レチクルマーク板ＲＦＭの付属マーク領域６１に近接した領域に、Ｘ方向に次第に小さくなるピッチで形成されてデューティ比が１：１の５個のＬ＆Ｓパターン（ライン・アンドス・ペースパターン）２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅを含む第１の周期マーク１Ａが形成され、この周期マーク１Ａの−Ｘ方向側にＸ方向に次第に小さくなるピッチで形成されてデューティ比が１：１の６個のＬ＆Ｓパターン６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆを含む第１の周期マーク５Ａが形成されている。即ち、周期マーク１Ａ及び５Ａ（周期的マーク）の周期方向はＸ方向であり、周期マーク１Ａ及び５Ａは、Ｘ軸に平行に配列されている。
【０１２７】
一例として、Ｌ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅ及びＬ＆Ｓパターン６Ａ〜６Ｆの線幅（ピッチの１／２）及びラインパターンの本数は、それぞれ次の表２（Ａ）の上段及び下段に示す値となる（１ｎｍ以下の端数は四捨五入されている）。また、Ｌ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅ及び６Ａ〜６Ｆの周期方向に直交する方向の長さは４μｍに、即ち図９のスリット９Ｂ，９Ｃ，９Ｅ，９Ｆの長さ（３μｍ）よりも３０％程度長く設定されている。なお、本例で使用されるパターンの長さ、線幅、及びピッチは、全て投影光学系ＰＬによる空間像における値で表されている。
【０１２８】
【表２】
2006245145.tif 000018
【０１２９】
表２（Ａ）より、Ｌ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅの線幅は、最大の１０８０ｎｍから次第に１２０ｎｍ（ピッチで２４０ｎｍ）まで小さくなり、Ｌ＆Ｓパターン６Ａ〜６Ｆの線幅は、最大の１３２０ｎｍから次第に１２０ｎｍ（ピッチで２４０ｎｍ）まで小さくなっている。そして、Ｌ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅ中で最も小さいピッチと、Ｌ＆Ｓパターン６Ａ〜６Ｆ中で最も小さいピッチとは等しく２４０ｎｍに設定されている。また、Ｌ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅのそれぞれのラインパターンの本数は、Ｌ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅの周期方向（計測方向）の長さ（ひいては面積）が互いにほぼ等しくなるように設定されている。即ち、Ｌ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅの周期方向（計測方向）の長さは共通にほぼ１０μｍに設定されている。
【０１３０】
図１３において、周期マーク１Ａの上方に、それぞれ周期マーク１Ａ及び５Ａを反時計回りに角度φ１だけ回転した形状の第２の周期マーク１Ｂ及び５Ｂが平行に形成され、周期マーク１Ａの下方に、それぞれ周期マーク１Ａ及び５Ａを反時計回りに角度φ２だけ回転した形状の第３の周期マーク１Ｃ及び５Ｃが平行に形成されている。また、周期マーク１Ａ及び５Ａの間に、Ｙ軸に平行にそれぞれ周期マーク１Ａ及び５Ａを時計回りに９０°だけ回転した形状の第４の周期マーク１Ｄ及び５Ｄが平行に形成されている。更に、周期マーク５Ａの上方に、それぞれ周期マーク１Ａ及び５Ａを反時計回りに角度φ３だけ回転した形状の第５の周期マーク１Ｅ及び５Ｅが平行に形成され、周期マーク５Ａの下方に、それぞれ周期マーク１Ａ及び５Ａを反時計回りに角度φ４だけ回転した形状の第６の周期マーク１Ｆ及び５Ｆが平行に形成されている。本例の角度φ１、φ２、φ３、及びφ４は、それぞれ図９中の対応する角度と同じく３０°、４５°、１２０°、及び１３５°である。
【０１３１】
図１３のレチクルマーク板ＲＦＭにおいて、周期マーク１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆを＋Ｙ方向に平行移動した位置にそれぞれ周期マーク３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆが形成され、周期マーク５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆを＋Ｙ方向に平行移動した位置にそれぞれ周期マーク７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ，７Ｆが形成されている。そして、周期マーク３Ａ〜３Ｆの周期方向は周期マーク１Ａ〜１Ｆの周期方向と平行であり、周期マーク３Ａ〜３Ｆ内には周期方向に対して次第に小さくなるピッチでデューティ比が１：１の５個のＬ＆Ｓパターン４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅが形成されている。また、周期マーク７Ａ〜７Ｆの周期方向は周期マーク５Ａ〜５Ｆの周期方向と平行であり、周期マーク７Ａ〜７Ｆ内には周期方向に対して次第に小さくなるピッチでデューティ比が１：１の６個のＬ＆Ｓパターン８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，８Ｅ，８Ｆが形成されている。Ｌ＆Ｓパターン４Ａ〜４Ｅ及びＬ＆Ｓパターン８Ａ〜８Ｆの線幅（ピッチの１／２９及びラインパターンの本数は、それぞれ表２（Ｂ）の上段及び下段に示す値となっている（１ｎｍ以下の端数は四捨五入されている）。
【０１３２】
表２（Ｂ）より、Ｌ＆Ｓパターン４Ａ〜４Ｅの線幅は、最大の１６２０ｎｍから次第に１８０ｎｍ（ピッチで３６０ｎｍ）まで小さくなり、Ｌ＆Ｓパターン８Ａ〜８Ｆの線幅は、最大の１９８０ｎｍから次第に１８０ｎｍ（ピッチで３６０ｎｍ）まで小さくなっている。そして、Ｌ＆Ｓパターン４Ａ〜４Ｅ中で最も小さいピッチと、Ｌ＆Ｓパターン８Ａ〜８Ｆ中で最も小さいピッチとは等しく３６０ｎｍに設定されている。
【０１３３】
図１３中の周期マーク１Ａ〜１Ｆ及び３Ａ〜３Ｆはそれぞれ５個のＬ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅ及び４Ａ〜４Ｅを含んでいる、従って、図３の照明光ＩＬで図１３の計測用パターンを照明すると、周期マーク１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ、及び周期マーク３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆからの±１次回折光は、それぞれ投影光学系ＰＬの瞳面上の６個の方向に沿って配列された１０個（片側で５個）の位置を通過する。そのため、それらの±１次回折光が通過する位置が位相の計測点となる。
【０１３４】
一方、図１３の周期マーク５Ａ〜５Ｆ及び７Ａ〜７Ｆはそれぞれ６個のＬ＆Ｓパターン６Ａ〜６Ｆ及び８Ａ〜８Ｆを含んでいるため、周期マーク５Ａ〜５Ｆ及び７Ａ〜７Ｆからの±１次回折光は、それぞれ投影光学系ＰＬの瞳面上の６個の方向に沿って配列された１２個（片側で６個）の位置を通過する。そして、それらの±１次回折光が通過する位置が位相の計測点となる。従って、周期マーク５Ａ〜５Ｆ又は７Ａ〜７Ｆを用いて位相情報を計測する場合には、より高次のツェルニケ多項式によって表される収差の情報を求めることができる。
【０１３５】
具体的に、異なる２方向に沿って配列されたそれぞれ６種類以上のピッチのマークを用いることによって、波面収差をツェルニケ多項式で表した場合に、１６次までのツェルニケ多項式で表される波面収差のうちの０θ、１θ、ｃｏｓ２θ成分が計測可能である。また、異なる６方向に沿って配列されたそれぞれ６種類以上のピッチのマークを用いることによって、３７次までのツェルニケ多項式で表される波面収差が計測可能である。
【０１３６】
また、図１３において、−Ｙ方向側の周期マーク１Ａ〜１Ｆ内のＬ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅ及び周期マーク５Ａ〜５Ｆ内のＬ＆Ｓパターン６Ａ〜６Ｆの最小ピッチは、＋Ｙ方向側の周期マーク３Ａ〜３Ｆ内のＬ＆Ｓパターン４Ａ〜４Ｅ及び周期マーク７Ａ〜７Ｆ内のＬ＆Ｓパターン８Ａ〜８Ｆの最小ピッチよりも小さく設定されている。この場合、よりピッチの小さい周期マークからの回折光ほど投影光学系ＰＬの瞳面において外側の領域を通過するため、投影光学系ＰＬの収差計測時には、−Ｙ方向側の周期マーク１Ａ〜１Ｆ及び５Ａ〜５Ｆと、＋Ｙ方向側の周期マーク３Ａ〜３Ｆ及び７Ａ〜７Ｆとのうちで、その最小ピッチが転写対象のレチクルのパターンの最小ピッチにより近い方の周期マークを用いるようにしてもよい。これによって、実際の露光対象のレチクルのパターンを投影光学系ＰＬを介して転写する際の収差に近い収差を計測できる。
【０１３７】
具体的に、例えば図１３の周期マーク１Ａ〜１Ｆ中のＬ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅから発生した回折光を検出する場合につき説明する。この場合、図１３の周期マーク１Ａ〜１Ｆをその投影像とみなすと、先ず周期マーク１Ａの投影像の周期方向（ここではＸ方向）の端部に、点線で示すように図９のスリット９Ａを移動した後、図３のウエハステージＷＳＴを駆動してスリット９Ａで周期マーク１Ａ中のＬ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅの像をその周期方向に平行な計測方向に走査して光強度分布のピーク位置（特定位置）を計測する。このピーク位置は、前述したように基本波成分Ａ１のピーク位置を求めることに相当する。この際に図３の投影光学系ＰＬの可変開口絞りＡＳを駆動して、０次光及び±１次回折光以外の回折光を遮光する（以下同様）。その後、スリット板９０をＺ方向に移動して光強度の変化を計測して、所定の収差を計測する（詳細後述）。
【０１３８】
次に、図１３の周期マーク１Ｂの投影像の周期方向（ここではＸ軸に対して角度φ１で交差する方向）の端部にスリット９Ｂを移動した後、スリット９Ｂで周期マーク１Ｂ中のＬ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅの像をその周期方向に平行な計測方向に走査して光強度分布のピーク位置を計測してから、スリット板９０をＺ方向に移動して光強度の変化を計測する。同様に、図１３の周期マーク１Ｃ〜１Ｆの投影像の周期方向の端部にスリット９Ｃ〜９Ｆを順次移動した後、それぞれスリット９Ｃ〜９Ｆで周期マーク１Ｃ〜１Ｆ中のＬ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅの像をその周期方向に平行な計測方向に走査して光強度分布のピーク位置を計測してから、スリット板９０をＺ方向に移動して光強度の変化を計測する。
【０１３９】
同様に、図１３の周期マーク５Ａ〜５Ｆ、周期マーク３Ａ〜３Ｆ、及び周期マーク７Ａ〜７Ｆの投影像に対してそれぞれスリット９Ａ〜９Ｆを周期方向である計測方向に走査してピーク位置を求めた後、スリット板９０をＺ方向に移動することで、対応する瞳面の計測点を通過する収差を計測できる。
図１３の収差計測マーク１Ａ〜１Ｉ（Ｌ＆Ｓパターン２Ａ〜２Ｅ）等と、図９のスリット板９０とを用いて投影光学系ＰＬの偶関数収差の計測を行う際、以下のような順序で計測する。
【０１４０】
１）図１３の多数の計測マーク中から実際に計測する計測マークを選択する。
２）計測マークのピッチＰに応じて、（１７）式を満たすように、図３の可変開口絞りＡＳを駆動して、計測マーク（ＰＭとする）からの±３次回折光Ｌ（＋３），Ｌ（−３）以上の回折光を遮光して、０次光Ｌ（０）、±１次回折光Ｌ（＋１），Ｌ（−１）のみを投影光学系ＰＬ内を通過させる。
【０１４１】
３）計測マークの空間像の光強度分布の光軸ＡＸに垂直な方向のピーク位置（特定位置）を計測する。例えば計測マーク（計測方向をＸ方向とする）が奇数本であれば、空間像を対応する図９の対応するスリット９ＡでＸ方向に走査して、光強度分布に対応する信号を得た後、その光強度分布のセンター位置を計測する。
４）３）で計測された空間像の光強度分布のピーク位置にスリット９Ａを位置させる。
【０１４２】
図１４は、そのように計測マークの空間像Ｂの光強度分布のＸ方向のピーク位置にスリット９Ａを位置させた状態を示す。なお、そのピーク位置は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに一致している必要はない。
５）計測用のスリット９Ａを介して検出される光強度を計測しながら、スリット９Ａを投影光学系ＰＬの像面に垂直な方向、即ち光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）に走査する。Ｚ方向への走査中も図３の空間像計測装置５９において、光強度の検出信号（光強度信号）は連続的に取り込む。
【０１４３】
６）得られたスリット９ＡのＺ方向の位置と光強度信号との関係から、最大の光強度信号を与えるスリット９ＡのＺ方向の位置を求める。この際に、そのＺ方向の位置から予め計測してある基準となる面の位置を差し引いて、スリット９Ａのデフォーカス量を算出する。このデフォーカス量から図７及び図８に対応する関係を用いて所定の（もう一つの）偶関数収差量が求められる。
【０１４４】
即ち、得られた光強度信号は図１５のような強度信号曲線Ｂ１となり、曲線Ｂ１のピーク位置の基準位置からのずれ量ΔＥＡから収差量が判明する。また、図１５の横軸は、制御可能な偶関数収差量ＥＡを示している。制御可能な偶関数収差がデフォーカスの収差の場合、デフォーカス量から収差量に換算する。
７）得られた偶関数収差量を、その計測マークに対応する投影光学系ＰＬの瞳面上の計測点での偶関数収差量とする。
【０１４５】
以上はデフォーカスによって偶関数収差を変化させて計測する場合であるが、これを図２の投影光学系ＰＬのレンズエレメントの移動によって、他の偶関数収差を変化させることによって計測する方法が第２の方法となる。
以上、本例の偶関数収差計測方法を説明した。また、奇関数成分の収差計測については、それぞれの空間像の基本波成分の位相をフーリエ変換によって求める方法が精度及び計測時間の観点から望ましい。奇関数成分に関しては空間像をフーリエ変換できるので、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを絞って３光束状態にする必要はない。
【０１４６】
なお、上記各実施形態の収差計測方法によって計測された収差量に基づいて、図１の投影光学系ＰＬを調整し、理想的には投影光学系ＰＬの収差を０にすることが望ましいが、実際には、投影光学系ＰＬの調整後にも収差が若干残留する可能性もある。そのため、上記の実施形態の投影露光装置の運用に際しては、投影光学系ＰＬの調整後に、上記実施形態の収差計測方法を用いて、投影光学系ＰＬの残留収差を初期収差量として改めて計測しておいてもよい。この場合、上記実施形態の収差計測方法によって、投影光学系ＰＬの収差変動量を定期的に計測し、経時変化等により収差に変化が生じた場合には、主制御装置５０が、図２の結像特性補正コントローラ７８を介してそれらの収差量が初期収差量に戻るように投影光学系ＰＬの結像特性を調整すればよい。なお、定期的な収差の計測は、レチクルマーク板ＲＦＭ等に形成された計測用パターンを用いて行うことが計測の安定性の観点から望ましい。
【０１４７】
また、上記各実施形態では、投影光学系として縮小系を用いる場合について説明したが、これに限らず、投影光学系として等倍あるいは拡大系を用いても良いし、投影光学系は屈折系、反射屈折系、又は反射系のいずれであっても良い。
また、例えば半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づいてレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウエハを製作するステップ、前述した実施形態の投影露光装置（露光装置）によりレチクルのパターンをウエハに転写するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査ステップ等を経て製造される。
【０１４８】
また、上記各実施形態では、本発明が走査露光型の投影露光装置に適用された場合について説明したが、これに限らず、マスクとウエハとを静止した状態でマスクのパターンをウエハに転写するステッパー等の静止露光型（一括露光型）の投影露光装置にも本発明を適用することができる。また、本発明は、例えば国際公開第９９／４９５０４号パンフレットに開示されている液浸型露光装置で投影光学系の収差を計測する場合にも適用することができる。
【０１４９】
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子やプラズマディスプレイなどを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、及び撮像素子（ＣＣＤなど）、有機ＥＬ、マイクロマシーン、ＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。
【０１５０】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明の露光方法及び装置によれば、投影光学系が露光装置に搭載された状態で、その投影光学系の光学特性を短時間に計測することができる。従って、その計測結果に応じてその投影光学系の光学特性を補正することによって、マスクのパターンを基板上に高精度に転写することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の実施形態の一例の投影露光装置の概略構成を示す一部を切り欠いた図である。
【図２】図１の投影光学系ＰＬの結像特性制御機構及びウエハステージＷＳＴのＺチルトステージを示す一部を切り欠いた図である。
【図３】図１の投影露光装置に備えられた空間像計測装置の内部構成を示す図である。
【図４】（Ａ）は、図３のスリット板９０上のスリットの一例を示す図、（Ｂ）は、空間像計測の際に得られる光電変換信号の一例を示す図である。
【図５】規格化された瞳位置に対する複数の偶関数収差成分の位相遅れレベルを示す図である。
【図６】収差Ｚ9 の調整によって他の収差Ｚ16を計測する際の説明に供する図である。
【図７】空間像が異なる収差Ｚ16を持つ場合に、それぞれ収差Ｚ9 を変化させたときの各空間像に含まれる基本波成分の振幅の変化の計算結果を示す図である。
【図８】収差Ｚ16とＺ9 換算での基本波成分のピーク位置との相関関係を示す図である。
【図９】図３のスリット板９０上の実際のスリットの配置を示す拡大平面図である。
【図１０】投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを絞らない状態での、デフォーカス量を変えた場合の計測マークの空間像の光強度分布の変化を示す図である。
【図１１】投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを絞った状態での、デフォーカス量を変えた場合の計測マークの空間像の光強度分布の変化を示す図である。
【図１２】投影光学系ＰＬの瞳面における波面収差の一例を示す図である。
【図１３】図３のレチクルマーク板ＲＦＭのパターン面の計測用パターンの一例を示す拡大平面図である。
【図１４】空間像に対してスリットを投影光学系の光軸に平行な方向に走査する状態を示す図である。
【図１５】図１４において、制御可能な偶関数収差量を変えた場合の光強度信号の変化の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１５３】
９Ａ〜９Ｆ…スリット、１Ａ〜１Ｆ，３Ａ〜３Ｆ，５Ａ〜５Ｆ，７Ａ〜７Ｆ…周期マーク、２Ａ〜２Ｅ，４Ａ〜４Ｅ，６Ａ〜６Ｆ，８Ａ〜８Ｆ…Ｌ＆Ｓパターン、１２…照明光学系、１４…光源、５０…主制御装置、５１…メモリ、５９…空間像計測装置、７８…結像特性補正コントローラ、８０…信号処理装置、９０…スリット板、１２３…ピンホール、ＰＬ…投影光学系、ＡＳ…可変開口絞り、Ｒ…レチクル、ＲＳＴ…レチクルステージ、ＲＦＭ…レチクルマーク板、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ
【図１】
2006245145.tif 000019
【図２】
2006245145.tif 000020
【図３】
2006245145.tif 000021
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2006245145.tif 000032
【図１５】
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